245

LUCRAREA A20

VERIFICAREA STABILITĂŢII DIELECTRICE A

APARATELOR DE COMUTAŢIE DE ÎNALTĂ TENSIUNE

1. Tematica lucrării

1.1. Verificarea stabilităţii dielectrice a izolaţiei la frecvenţă industrială;

1.2. Verificarea stabilităţii dielectrice a izolaţiei la unde de impuls de

tensiune normalizate;

1.3. Verificarea stabilităţii dielectrice a izolaţiei la tensiune continuă.

2. Schemele electrice de încercare sunt următoarele:

Fig. 1.1. pentru încercarea la frecvenţă industrială;

Fig. 1.2. pentru încercarea la unde de impuls de tensiune;

Fig. 1.3. pentru încercarea la tensiune continuă.

3. Modul de lucru

Aparatele electrice de înaltă tensiune se încearcă conform specificaţiilor

din normele de aparate (SR EN 60060), respectând valorile specificate în SR CEI

60071 privind coordonarea izolaţiei şi procedând conform SR EN 60060 intitulat

"Încercarea echipamentului electric de înaltă tensiune".

Principalele tipuri de încercări sunt cele indicate în tematica lucrării

prezentate, dar se execută şi alte verificări ale izolaţiei, cum este verificarea

nivelului descărcărilor parţiale, ş.a..

Prin efectuarea acestor încercări se urmăreşte a se determina limita

nivelului de ţinere a izolaţiei echipamentelor electrice, precum şi de a verifica

izolaţia conform cerinţelor de coordonare a acesteia, (aceasta efectuându-se

asupra tuturor echipamentelor construite şi ca încercare individuală).

Forma tensiunilor aplicate simulează diverse supratensiuni care apar în

exploatare şi care solicită izolaţia mai mult decât tensiunea nominală.

246

În timpul efectuării încercărilor, obiectele învecinate cu obiectul de

încercat trebuie să nu fie mai apropiate decât 1,5·s, unde "s" este distanţa de

conturnare externă între electrozii obiectului de încercat.

Încercările se efectuează în stare uscată sau sub ploaie artificială. De

asemenea se pot face încercări sub ceaţă, gheaţă, mediu poluat, mediu tropical,

etc. Aceste încercări speciale se efectuează conform normelor de produs.

Ploaia artificială se realizează cu apă, având conductivitatea electrică

controlată, care se pulverizează prin duze de formă specificată.

Condiţiile atmosferice normale sunt:

- temperatura mediului ambiant: θ = 20 oC ;

- presiunea atmosferică: p = 1013 mbar;

- umiditate absolută: h0 = 11 gr/m3.

Notă: Presiunea de 1013 mbar este echivalentă cu presiunea de 760 mm Hg la

0 oC.

Dacă înălţimea coloanei barometrice este H [mmHg] iar temperatura este de θoC,

presiunea în mbar corectată se calculează cu relaţia:

( )pH

=⋅

⋅ − ⋅ ⋅−1013

7601 18 10 4. θ [mbar]

Umiditatea se poate măsura prin diferite metode cu diverse aparate. Un

procedeu simplu este utilizarea diagramei din fig.4. şi indicaţiile a două

termometre: unul cu rezervor uscat, altul cu rezervor înconjurat cu o pânză

groasă de bumbac umezită dintr-un vas cu apă (aerul este suflat cu 2 m/s).

Tensiunea disruptivă măsurată în condiţiile încercării U(θ,p,h) se raportează la

condiţiile normale standard, aplicând corecţii:

U0(θ0, p0, h0) = U(θ, p, h)

în care: θ - temperatura în timpul încercării;

p - presiunea atmosferică în timpul încercării;

h - umiditatea în timpul încercării 0,289 - factor de corecţie referitor

la densitatea aerului calculat conform SR EN 60060;

247

kh - factor de corecţie referitor la umiditate, cu ajutorul căruia se

calculează factorul de corecţie al umidităţii kh (vezi SR EN 60060) .

Dacă p se exprimă în mbar şi θ în oC, se obţine faţă de 20oC

θ+

⋅=273

289,0H

p [mbar].

Factorul de corecţie kh se ia din diagrama din figura 5.

Prin descărcarea disruptivă se înţelege ansamblul de fenomene care au

loc la ruperea (distrugerea) izolaţiei sub efectul câmpului electric comportând un

traseu ce leagă electrozii terminali ai obiectului de încercat, reducând diferenţa

de tensiune la zero, sau la o valoare apropiată de zero şi producând trecerea unui

curent.

Conturnarea este o descărcare disruptivă care are loc de-a lungul unui

dielectric solid plasat într-un dielectric gazos sau lichid (descărcare pe suprafaţa

izolantului).

Scânteierea este o descărcare disruptivă care se produce între electrozi

aflaţi într-un dielectric gazos sau lichid, pierderea rigidităţii dielectrice putând să

fie temporară (izolaţie autoregenerativă).

Străpungerea este o descărcare disruptivă care se produce, într-un

dielectric solid, conducând la pierderea permanentă a rigidităţii dielectrice a

izolantului (izolaţie neautoregenerativă).

Amorsarea este fenomenul tranzitoriu al stabilirii unei descărcări

disruptive.

Probabilitatea de descărcare disruptivă este probabilitatea ca la

aplicarea unei tensiuni de o anumită valoare să se producă o descărcare

disruptivă.

Tensiunea disruptivă 50% este tensiunea la care probabilitatea amorsării

descărcărilor disruptive este de 50%.

În mod similar se poate defini tensiunea disruptivă 100% fiind cea mai

mică valoare a tensiunii la care apar 100% amorsări.

248

3.1 Încercarea la tensiunea de frecvenţă industrială în stare uscată.

Ca sursă de încercare de înaltă tensiune la frecvenţă industrială se

utilizează transformatoare în cascadă, ridicătoare de tensiune. Parametrii

tensiunii sunt: frecvenţa, valoarea de vârf, valoarea eficace, forma undei de

tensiune.

Condiţii impuse tensiunii:

- frecvenţa va fi cuprinsă între 40 şi 62 Hz, sau conform normei de

produse (de exemplu, separatoarele se încearcă la o frecvenţă între 20 şi 70 Hz,

conform SR EN 60060).

- forma tensiunii este practic sinusoidală dacă raportul între valoarea de

vârf şi valoarea efectiva este 2 , cu toleranţă de +/-5%.

Schema circuitului de încercare este prezentată în fig. 1.

Pentru limitarea solicitărilor se introduce o rezistenţă de ordinul kΩ.

Pentru măsură se utilizează un divizor de tensiune şi un voltmetru. Eroarea

dispozitivului nu trebuie să depăşească 3% la măsurarea amplitudinii sau valorii

efective.

Tensiunea se aplică lent pornind de la valori mici astfel ca peste 75% din

valoarea estimată finală, viteza de creştere nu trebuie să depăşească 2% pe

secundă, din această valoare, dacă viteza de creştere nu este automatizată.

Încercarea de ţinere se face mărind tensiunea la valoarea prescrisă pentru

obiectul de încercat şi se menţine timp de 1 minut, după care se scade lent.

Încercarea de descărcare disruptivă se face mărind tensiunea până apare o

astfel de descărcare. Tensiunea atinsă în acel moment se va nota. Conturnarea se

constată măsurând curentul de descărcare. Rezultatele se vor trece în tabelul 1.

249

Tabelul 1: Încercarea la frecvenţă industrială pe durata de 1 minut.

Tensiunea nominală Obser-

vaţii

Obiectul

de

încercat SR EN 60060 [kV] SR CEI 60071 [kV]

Tensiunea

de

încercare

[kV]

3.2. Încercarea la undă de impuls de tensiune normalizată

În laboratoarele de încercări de înaltă tensiune se produc două tipuri de

unde de impuls standard.

O undă de impuls (şoc) care modelează supratensiunile de origine

atmosferică (externe), numită şi undă de impuls "scurtă" şi o undă de impuls care

modelează supratensiunile de comutaţie (interne), numită şi undă de impuls

"lungă".

Prin supratensiuni de natură atmosferică se înţeleg supratensiunile care

apar între fază şi pământ, sau între faze, într-un anumit punct al reţelei şi sunt

generate de descărcări electrice atmosferice şi a căror formă poate fi asimilată în

ceea ce priveşte coordonarea izolaţiei, cu cea a undei de impuls normalizate

produsă în laborator, de regulă 1/50 µs, 1,2/50 µs, 1,5/50 µs. În ţara noastră s-a

adoptat conform recomandărilor SR CEI 60071, unda 1,2/50 µs. Aceste

descărcări apar sub forma loviturilor directe de trăsnet asupra liniilor şi staţiilor,

deci şi asupra aparatelor de comutaţie, descărcări în firul de gardă, descărcări în

stâlpi, descărcări indirecte, reflexii ale undelor călătoare, ş.a.. Supratensiunile de

acest tip sunt de obicei unidirecţionale şi de foarte scurtă durată numindu-se şi

supratensiuni externe.

Prin supratensiuni de comutaţie se înţeleg supratensiunile care apar între

fază şi pământ, sau între faze, într-un anumit punct al unei reţele, generate printr-

o comutaţie sau un defect, şi la care forma poate fi asimilată, în ceea ce priveşte

coordonarea izolaţiei, cu unda de impuls normalizată pentru supratensiuni de

250

comutaţie. Supratensiunile de acest tip sunt de obicei amortizate şi de scurtă

durată. În laboratoarele de încercări aceste supratensiuni sunt modelate prin unde

de impuls lungi de regulă de tipul: 60/4000 µs, 1700/800 µs şi 250/2500 µs. În

ţara noastră s-a adoptat unda standard 250/2500 µs.

Undele de impuls standard se caracterizează conform figurilor 6 a, b prin:

a) polaritate;

b) valoare de vârf sau valoare de vârf convenţională;

c) durata convenţională a frontului T1;

d) durata convenţională a semiamplitudinii T2;

e) durata convenţională până la tăiere Tt;

f) durata convenţională a căderii de tensiune în cursul tăierii.

Valoarea tensiunii de încercare este valoarea sa de vârf.

Toleranţe admise pentru parametrii tensiunii:

- la valoarea de vârf: +/- 3% ;

- la durata frontului: +/- 30% ;

- la durata semiamplitudinii: +/- 20% .

Se admit mici oscilaţii ale tensiunii de impuls dacă în regiunea crestei ele

nu depăşesc 5% din valoarea de vârf. Pe partea ascendentă a frontului (sub 50%

din valoarea de creastă) se pot admite oscilaţii cu o amplitudine de 10% din

valoarea de vârf.

Tensiunea de impuls se produce cu un circuit (generatorul Marx) în care

mai multe condensatoare se încarcă în paralel de la o sursă de curent continuu şi

se descarcă în serie într-un circuit care conţine obiectul de încercat, aşa cum

rezultă din figura 2. Forma undei se ajustează cu rezistenţele şi condensatoarele

din circuit, examinând oscilogramele ei. Măsurarea tensiunii se face cu un

divizor de tensiune şi un oscilograf. Valoarea de vârf mai poate fi măsurată şi cu

un eclator cu sfere (SR EN 60060) sau un voltmetru de vârf.

251

Tensiunea de impuls aplicată va fi de ambele polarităţi (negativă şi

pozitivă) şi se aplică la obiectele nesusceptibile la degradare progresivă (aer,

sticlă, porţelan, etc) astfel:

a) Încercarea de ţinere la impuls

Se aplică 15 impulsuri de tensiune asupra obiectului de încercat,

considerând rezultatul satisfăcător dacă numărul descărcărilor disruptive într-o

izolaţie autoregeneratoare nu depăşeşte doi.

b) Încercarea la 100% amorsări

Se aplică 5 impulsuri la valoarea de vârf prescrisă; dacă fiecare impuls

provoacă o descărcare disruptivă, rezulatul este satisfăcător; dacă două sau mai

multe impulsuri nu provoacă descărcări, se aplică încă 10 impulsuri şi rezultatul

este satisfăcător numai dacă toate provoacă descărcări disruptive.

Rezultatele încercărilor se trec în tabelul 2.

Tabelul 2: Încercarea la impuls de tensiune

Descărcarea

disruptivă

Obiectul de

încercat

Tensiunea

nominală

SR CEI

60071

[kV]

Tensiunea

de încercare

SR CEI

60071

[kV]

Tensiunea

de ţinere

[kVmax] Seria 1 Seria 2

c) Caracteristica tensiune-timp (volt-secundă)

O altă încercare care se face este aceea de a stabili caracteristica volt-

secundă a obiectului de încercat. Această încercare poate fi efectuată în două

variante; la durata constantă a frontului şi amplitudine variabilă; la amplitudine

constantă şi durata frontului variabilă.

252

Exemplu: S-a determinat caracteristica volt-secundă folosindu-se ca obiect de

încercat un izolator suport de 10 kV, menţinându-se durata frontului constantă şi

variind amplitudinea aşa cum rezultă din figura 7a. Ca undă de impuls s-a

folosit unda lungă 250/2500 µs, (pentru supratensiuni de comutaţie).

Rezultatele încercării s-au trecut în diagrama din fig. 7.b.

În figura 8.a, b, c, d, e, f sunt prezentate oscilogramele obţinute după cum

urmează:

În figura a, se prezintă oscilograma undei de impuls standard 250/2500 µs (scara

timpului 500 µs/div).

În figura b, aceeaşi oscilogramă (scara timpului 100 µs/div).

În figura c, încercarea izolatorului cu undă tătiată pe spate (timpul de tăiere

280µs).

În figura d, încercarea cu undă tăiată la 220 µs.

În figura e, încercarea cu undă tăiată pe front la 120 µs.

În figura f, încercarea cu undă tăiată pe front, la 60 µs.

3.3. Încercarea la tensiune continuă

Tensiunea continuă se caracterizează prin:

a) polaritate;

b) valoare medie aritmetică;

c) valoare maximă;

d) ondulaţie.

Ondulaţia este oscilaţia periodică suprapusă mediei aritmetice şi are

valoarea egală cu jumătatea diferenţei dintre valoarea maximă şi valoarea

minimă a tensiunii. Factorul de ondulaţie este raportul între valoarea ondulaţiei şi

media aritmetică a tensiunii şi nu trebuie să depăşească 5%.

253

Tensiunea se produce cu ajutorul redresoarelor prevăzute cu condensatoare

de filtraj, aşa cum rezultă din figura 3. Pentru măsurare se foloseşte un divizor de

tensiune a cărui eroare nu trebuie să depăşească 5%.

Tensiunea se aplică obiectului de încercat cu o valoare iniţială redusă (chiar 0).

a) Încercarea de ţinere:

Tensiunea se va mări la valoarea prescrisă de standard pentru obiectul de

încercat, se va menţine la valoarea respectivă timp de 1 minut (sau alt ciclu

specificat) şi se va reduce prin descărcarea condensatorului de filtrare, pe o

rezistenţă aleasă corespunzător.

Rezultatul încercării este satisfăcător dacă nu se produce o descărcare

disruptivă pe obiectul de încercat. Se va nota tensiunea atinsă în momentul

descărcării disruptive. Rezultatele se vor trece în tabelul 3.

b) Încercarea la descărcare disruptivă:

Tensiunea de încercare se va mări pînă când se produce o descărcare

disruptivă pe obiectul de încercat. Se va nota tensiunea în momentul descărcării.

Rezultatele se vor trece în tabelul 3.

Tabelul 3: Încercarea la tensiune continuă.

Obiectul

încercat

Tensiunea

nominală

[kV]

Tensiunea de

ţinere [kV]

Tensiunea de

descărcare

disruptivă [kV]

Observaţii

4. Întrebări

1. Care sunt încercările prescrise de standarde pentru verificarea nivelului de

izolaţie a aparatelor de comutaţie de înaltă tensiune ?

2. În ce constă utilitatea verificărilor la înaltă tensiune a izolaţiei echipamentului

electric?

3. Care sunt convertoarele utilizate la măsurarea tensiunilor înalte ?

254

4. Ce surse se utilizează în tehnica încercărilor de stabilitate dielectrică ?

5. Cum se execută încercarea la frecvenţă industrială ?

6. După ce principiu funcţionează generatorul de impuls de tensiune (gen.

Marx)?

7. Cum decurge încercarea la impuls de tensiune?

8. Care este importanţa caracteristicii volt-secundă în coordonarea izolaţiei?

9. Care sunt parametrii şi formele undelor de impuls de tensiune normalizate?

10. Ce echipamente se încearcă la tensiune continuă?

5. Bibliografie

1. Hortopan, G.: Aparate electrice de comutaţie, vol II, Editura tehnică,

Bucureşti 1996.

2. Hortopan, G.: Tehnica impulsului în laboratorul de înaltă tensiune. E.T.

Bucureşti 1966.

3. Truşcă, V.: Aparate electrice şi TTI - Partea a II-a. Solicitările dielectrice ale

aparatelor de comutaţie, Ed. IPB 1978.

4. SR EN 60060: Încercarea echipamentului electric la înaltă tensiune.

5. SR EN 60060: Reţele electrice peste 1 kV. Coordonarea izolaţiei. Nivele de

izolaţie şi protecţie.

6. SR EN 60060: Întreruptoare pentru tensiuni alternative peste 1 kV. Metode de

încercare a protecţiei.

7. SR EN 60060: Separatoare de curent alernativ pentru tensiuni de 1 kV şi

peste 1kV. Condiţii generale.

8. SR EN 60060: Separatoare de sarcină de interior de înaltă tensiune. Condiţii

generale.

9. SR CEI - Publicaţia 60060. Încercări la înaltă tensiune.

10. SR CEI - Publicaţia 60071-1, Coordonarea izolaţiei.

11. Hortopan, G., Hortopan V.: Şunturi şi divizoare de tensiune. Bucureşti, Ed.

Tehnică 1978.

255

Fig.1. Schema de principiu 100 kV; 50 Hz.

Fig.2. Generator de impuls de tensiune 400 kV; 5kJ.

a) schema de principiu; b) schema electrică cu module

256

Fig.3. Schema electrică a instalaţiei de încercare la tensiune continuă 200 kV.

a) schema de principiu; b) schema de montaj în cascadă

257

Fig.4. Umiditatea absolută a aerului în funcţie de

temperatura rezervorului uscat şi umed.

Fig. 5. Factorul de corecţie al umidităţii kh .

258

Fig.6a. Undă de impuls standard pentru supratensiuni atmosferice 1.2/50µs

Fig.6.b Undă de impuls standard pentru supratensiuni de comutaţie; 250/2500 µs

259

Fig. 7.a. Cu referire la caracteristica volt-secundă.

Fig.7.b. Caracteristica tensiune-timp (volt-secundă)

pentru un izolator suport de 10kV.

260

Fig.8. Încercare cu undă de impuls lungă 250 / 2500 µs.